1. Взаимодействие электронных потоков и токов смещения
В классической механике сила, действующая на неподвижное тело определяется градиент скалярного потенциала \(\varphi \) , который представляет потенциальную энергию тела в заданном поле
В случае прямолинейного инерционного движения тела изменение его энергии связано с действием на него силы
\({{\bf{F}}_K} = m{\bf{a}}\) ,
При этом приращение скорости всегда связано с этой силой и совпадает с ней по направлению. И мы не знаем в механике ни одного такого примера, когда бы в случае прямолинейного движения приращение скорости приводило к появлению сил, нормальных к направлению движения.
Но в электродинамике такой пример имеется. Это сила Лоренца
\({{\bf{F}}_L} = e\left[ {{\bf{v}} \times {\bf{B}}} \right] = e\mu \left[ {{\bf{v}} \times {\bf{H}}} \right]\) .
Эта сила даже при инерциальном движении заряда, например в сверхпроводниках, направлена нормально к направлению движения заряда. И возникает вопрос, действительно ли это какой-то новый закон, или это непонимание физической природы этой силы. Сразу укажем, что введение силы Лоренца не является следствием каких-то обобщений, основанных на законах механики или электродинамики, а вводится она как отдельный экспериментальный постулат, обобщающий опытные данные.
Само магнитное поле в своё время было введено Ампером также феноменологическим путём на основе наблюдения силового взаимодействия между проводниками, по которым течёт ток. Закон Ампера, выраженный в векторной форме, определяет магнитное поле в точке наблюдения в следующем виде:
\({\bf{H}} = \frac{1}{{4\pi }}\int {\frac{{I\left[ {d{{\bf{l}}_{}}{\bf{r}}} \right]}}{{{r^3}}}} \)
где \(I\) - ток в элементе \(d{\bf{l}}\) , \({\bf{r}}\) - вектор, направленный из \(d{\bf{l}}\) в точку наблюдения (рис. 1).
Можно показать, что
\(\frac{{[d{\bf{lr}}]}}{{{r^3}}} = \left[ {grad\left( {\frac{1}{r}} \right)d{\bf{l}}} \right] \)
и, кроме того, что
\(\left[ {grad\left( {\frac{1}{r}} \right)d{\bf{l}}} \right] = rot\left( {\frac{{d{\bf{l}}}}{r}} \right) - \frac{1}{r}rotd{\bf{l}}\) .

Рис. 1. Формирование векторного потенциала элементом проводника \(dl\) , по которому течёт ток \(I\) .
Но ротор \(d{\bf{l}}\) равен нулю и поэтому окончательно
\({\bf{H}} = rot\int {I\left( {\frac{{d{\bf{l}}}}{{4\pi r}}} \right)} = rot{{\bf{A}}_H}\)
где
\({{\bf{A}}_H} = \int {I\left( {\frac{{d{\bf{l}}}}{{4\pi r}}} \right)}\) (1.1)
векторный потенциал магнитного поля.
Было также установлено, что скалярное произведение векторного потенциала и скорости заряда, движущегося в поле этого потенциала, представляет потенциальную энергию
\({W_P} = e\mu ({\bf{vA}})\) .
Градиент этой энергии и даёт силу, действующую на заряд
\({{\bf{F}}_P} = - gra{d_{}}{W_P} = e{\mu _{}}grad({\bf{vA}})\) . (1.2)
В такой постановке вопроса следует признать, что поле скалярного потенциала обладает особым свойством превращать кинетическое движение заряда в потенциальную энергию, что также не вяжется с основными законами механики.
Мы уже указали, что введение и магнитного поля и силы Лоренца являются обобщением экспериментальных фактов и являются по сути дела постулатами, которые вводятся без должного понимания физической природы этих параметров.
Однако при формальном введении этих величин допущена одна существенная неточность. Глядя на приведенные соотношения легко видеть, что записаны они для уединённого потока заряженных частиц. И здесь мы сразу же сталкиваемся с неустранимым недостатком концепции магнитного поля. В соответствии с ней два параллельных электронных потока, заряды в которых движутся с одинаковой скоростью, кроме кулоновского отталкивания должны ещё и притягиваться. Что это так, нетрудно показать, если воспользоваться соотношениями (1.1, 1.2). Но если перейти в инерциальную систему, движущуюся со скоростью электронов, то там будет отсутствовать векторный потенциал и останется только кулоновское отталкивание. Такое несоответствие выводов, которые следуют из соотношений (1.1, 1.2), связано с тем, что эксперименты, на основе которых было введено магнитное поле и векторный потенциал проводились не на уединённых электронных потоках, а на проводниках, по которым течёт ток. Такие проводники, кроме движущихся электронов имеют положительно заряженную кристаллическую решетку (рис. 2), что в существующей теории не учитывается.

Рис. 2. Проводник с током, вдоль которого движется наблюдатель.